项目名称： 土壤-植物系统典型污染物迁移转化机制与控制原理

推荐单位： 中国科学院

项目简介： 项目紧密结合农业与环境科学的国际前沿和我国农产品安全与土壤保护的战略需求，重点探讨土壤污染所导致健康风险的形成过程和控制原理，主要内容及科学价值包括：

建立了成组生物毒性测试和化学分析相结合，离体和活体生物测试相结合的遗传毒性评价方法，综合毒性评估和甄别方法，形成了以潜在健康和生态风险为终点的评价框架，为在我国开展土壤污染风险评价和风险管理提供了战略性技术储备。

系统研究了砷和多环芳烃等持久性有毒污染物(PTS)在土壤-植物系统中转移、转化规律及关键影响因素。发现了根际的化学和生物学过程深刻影响砷等污染物向植物的转移，尤其是水稻根表铁膜的重要作用。首次阐述了一种新的影响水稻吸收积累砷的机理，纠正了传统研究体系中忽视铁膜所得到的结论，推进了水稻根际过程的研究；发现菌根菌在PTS从土壤向植物的转移中发挥了根部过滤作用，揭示根际生物-非生物相互作用对植物吸收重金属的重要影响；采用同步辐射等研究了污染物与土壤相互作用的机理，确立了污染物形态与生物有效性相关关系；开展土壤-溶液界面污染物行为的系统研究，建立了土壤有机污染物生物有效性评价的被动采样新方法，为预测土壤中污染物的移动性和毒性、发展土壤修复技术提供理论基础。

研究了通过调控生物有效性和植物体内污染物代谢等来开展污染土壤修复的技术原理研究。利用磷矿粉、骨碳和可资源化的废弃物等作为修复材料，开展了修复污染土壤机理和野外应用研究。

项目发表论文177篇(SCI:132篇)，被引用827次。SCI论文被引用646次, 平均引用率4.89。在若干关键科学问题取得突破:在国际上率先证明植物体内砷酸还原酶的存在。论文发表后，国际上才陆续发表砷酸还原酶遗传与分子生物学的成果，该成果在一定程度上打开了植物砷代谢研究的一个新领域；水稻根表铁膜的成果被国际同行评价为:为培育水稻新品种以应对东南亚水稻土砷污染提供了新希望。本项目成果直接带动了澳大利亚和英国等合作伙伴在该领域的发展(附件5).

主要发现点： 1、核心发现点：1）区域性环境中污染物种类很多，很难对可能引起毒性的所有污染物进行监测，且目前有关不同污染物导致遗传毒性的剂量－效应关系数据非常缺乏。因此，采用一种或几种作用于靶位点的效应，或生物标记方法首先进行效应筛选，再进一步确定导致效应的污染物特征，是区域污染风险评价的一条有效途径。本项目针对土壤污染的主要来源、暴露途径和关键生物受体，建立了系列成组生物毒性和化学分析相结合，离体和活体生物测试相结合的污染风险评价方法，形成了以潜在健康和生态风险为评价终点的框架，为我国开展土壤污染风险评价和建立相关理论体系奠定了基础。同时，以所建立的离体成组生物测试方法成功地开展了区域尺度的土壤污染风险分析，解析了区域风险因子及其空间分布特征。属环境毒理学。[代表性论文2、8和9]；

2）土壤-植物界面（根际）是污染物进入植物的主要门户，因此根际的化学和生物学过程深刻影响污染物的生物地球化学过程。长期以来国内外有大量关于旱地植物根际过程研究成果，但是都不适用于水稻，需要全新的研究思路和技术路线。本项目针对水稻根系形成铁膜这一根际过程，通过模拟培养、吸收动力学和基于同步辐射的原位观测技术等系列研究证明了铁膜是确定土壤-水稻系统中砷迁移转化的关键因子，揭示了铁膜对水稻吸收积累砷的影响机理。我们的研究成果纠正了过去研究体系中忽视铁膜所得到的结论，被国际学者认为"大大推进了水稻根际过程的研究进展"。我们的研究结果对开展水稻土污染物迁移转化机理研究具有引领作用。属土壤化学。[代表性论文4和7]；3）近一二十年来，大量研究表明砷是一种全球性的污染物。砷在植物体内存在形态是决定其毒性的关键，有机砷通常具有较低的毒性。过去关于土壤-植物系统中砷的研究主要侧重于土壤中砷的吸附解吸和植物吸收的机理，很少有关于其在植物体内的代谢。而砷在植物体内代谢的第一步是五价砷的还原，长期以来缺乏植物体内砷还原机制的认识。我们采用砷超积累植物为对象，在国际上率先证明植物体内砷酸还原酶的存在。我们的论文在Plant Physiology上发表后，国际上一些实验室才开始陆续发表有关砷酸还原酶遗传与分子生物学的研究成果，我们的研究成果在一定程度上打开了植物砷代谢研究的一个新领域。属环境生物学。[代表性论文1、3和10]。

2、其他重要发现点：决定污染物在土壤-植物系统中传输和毒性的关键因子不是污染物的总量，而是其生物有效性。因此，土壤中污染物生物有效性的研究一直以来是国内外土壤学研究的热点问题之一。本项目针对土壤-溶液界面污染物分配、吸附和形态等开展系统的研究，利用包括同步辐射等技术揭示了污染物与土壤介质相互作用的机理及其污染物的赋存状态，建立了污染物形态与生物有效性之间的关系，建立了土壤中有机污染物生物有效性评价的被动采样方法，这些成果为定量预测土壤中污染物的移动性和毒性，发展污染土壤修复技术提供理论基础。属土壤化学。[代表性论文5和6]。

主要完成人： 朱永官

1）发现了水稻根表铁膜调控砷吸收积累的机制。研究发现水稻根表铁膜可以较强地吸附固定砷，铁膜的存在改变水稻吸收砷的动力学机制，是对过去没有考虑铁膜条件下获得结论的重要补充和纠正。2）首次证实了植物体内砷酸还原酶的存在。借鉴微生物砷酸还原酶的研究方法在国际上首次测定了不同植物体内的砷酸还原酶活性，并对其酶学性质进行了系统分析，推动了国内外植物砷代谢的研究进展。3）发展了铅污染土壤化学修复的技术原理。土壤添加骨炭、磷矿粉、过磷酸钙和羟基磷灰石及其混合物可以有效固定土壤铅，磷矿粉的粒度对提高修复效率具有明显作用。本人对主要发现点3和4做出了主要贡献，本项研究的工作量占本人工作量的80%。代表性论文:1,2,3,4,10.

王子健

1）发现了稀土微肥是土壤稀土输入的重要来源。指出稀土元素在北方作物的含量随外源稀土施入而增加，存在显著剂量效应关系和轻、重稀土分异；揭示稀土对土壤－植物系统N、P转化影响，提出了关键影响因子和阈值，为稀土农用安全性奠定了基础。2）评价了污灌土壤遗传毒性，建立污染与生物效应之间的统计关系，确定致毒因子。用毒性当量的剂量－效应关系分析致毒因子的来源和分布。3）建立了土壤生态毒理学诊断和评价方法。发现北方污灌土壤多环芳烃导致基因损伤，揭示了多环芳烃与蚯蚓基因损伤的剂量-效应关系，为制定土壤多环芳烃类污染基准提供参考。本人对主要发现点1和2做出了主要贡献，本项研究的工作量占本人工作量的50%。代表性论文:5,9,8.

张淑贞

1）揭示了根际过程对土壤中重金属和有机污染物生物有效性的影响机制，建立了评价土壤中疏水性有机污染物和砷的模型，对研究土壤中污染物的生物有效性研究有重要的指导意义。2）应用现代光谱手段研究了土壤中重金属的微观结构和有机污染物的结合位点，在分子水平表征了土壤中重金属的真实形态。3）揭示了菌根真菌可以有效促进土壤中多种有机污染物的降解，增加其在植物根中的累积和抑制其在植物体的传输。应用现代光谱示踪技术揭示了菌根影响有机污染物植物吸收和传输的微观机理。该研究为土壤中有机污染物在食物链的调控和污染土壤修复奠定了重要的基础。本人对主要发现点2和3做出了主要贡献，本项研究的工作量占本人工作量的50%。代表性论文:6.

王春霞

1）利用成组生物标志物对污灌土壤的遗传毒性、芳烃受体效应、内分泌干扰效应进行风险筛选，利用化学分析鉴别与评价其主要胁迫因子。建立了一套污染土壤风险甄别和诊断的技术方法。2）采用不同的生物标志物描述了京津地区和广东贵屿地区表层土壤复合污染状况，利用地统计学方法探讨土壤遗传毒性、内分泌干扰效应、芳烃效应的空间分布及各效应之间的相互关系，阐述了生物标志物在生态风险评价中的作用。3）发展了通过离体成组生物毒性测试来筛选、活体暴露来确认生态风险胁迫因子的生态毒理学方法；建立了以不同的生物效应标志物来评价区域生态风险的方法体系。本人对主要发现点1做出了主要贡献，本项研究的工作量占本人工作量的35%。代表性论文:8.

陈保冬

1）较早提出应用丛枝菌根真菌修复重金属污染土壤的学术思想。通过系列模拟试验，探明了石灰性土壤上重金属锌、镉污染条件下丛枝菌根对宿主植物产生保护效应的主导机制。2）通过系列模拟生物学试验，系统研究了丛枝菌根真菌对植物吸收铀以及铀在植物体内再分配的影响，明确了丛枝菌根在植物固定铀污染环境中的潜在作用，并探讨了菌根技术的应用范围和途径。3）通过模拟试验明确了丛枝菌根对于矿区特殊耐（抗）性植物（包括砷超积累植物蜈蚣草）适应污染环境的重要作用，提出应用丛枝菌根真菌促进矿区生态恢复对策。本人对主要发现点3和4做出了贡献，本项研究的工作量占本人工作量的50%。代表性论文: 7.